1.2 发光二极管（LED）及其使用

1.2.1 LED概述

发光二极管（LED）是一种直接注入电流的电致发光器件，其半导体晶体内部受激电子从高能级回复到低能级时发射出光子，属自发辐射跃迁。LED为非相干光源，具有较宽的谱宽（30～60nm）和较大的发射角（约100°），常用于低速、短距离光传输系统。

1.LED的结构及原理

发光二极管由P型和N型半导体组合而成，它实际上是将PN结管芯烧结在金属或陶瓷底座上，欧姆接触引出两根金属引线，然后用透明环氧树脂封装而成的。

LED的工作原理是，当PN结加上正向电压时，结区势垒降低，P区的空穴载流子p向N区扩散，N区的电子n向P区扩散，p与n在PN结区相遇复合，从而释放能量而发光。

光的波长（决定光的颜色）由形成PN结构的材料决定，因而可以制造各种不同波长的LED。目前实用的发光二极管大多用Ⅲ～Ⅴ族半导体材料制成，用这些材料制成的发光二极管的特性参数如表1-2所示。

2. LED的主要特点

LED具有如下主要特点：①工作电压低，有的仅需1.5～1.7V即能导通发光，一般正向电压约为2V，因而能直接与集成电路匹配使用；②工作电流小，其典型值约为10mA；③具有和普通晶体二极管相似的单向导电特性，只是死区电压略高些；④具有和硅稳压二极管相似的稳压特性；⑤响应速度极快，时间常数为10-6～10-9s，有着良好的频率特性，调制频率可以很高；⑥小巧轻便、耐震动、寿命长，一般可达10万小时以上。

主要缺点是发光效率低，有效发光面很难做大。

1.2.2 LED的检测

1. 普通LED的检测

（1）用万用表检测

在没有专用检测仪器的情况下，通常用万用表进行检测。一般利用R×1kΩ挡或R×10kΩ挡的指针式万用表，可以大致判断 LED 的好坏。正常合格的产品，LED 的正向电阻值为几十至200kΩ（大多小于50kΩ），反向电阻值为无穷大（∞）；如果LED的正、反向电阻值均为0或∞，或正、反向电阻值比较接近，则均说明管子有问题。但这种检测方法不能看到LED的发光情况，因为R×1kΩ挡或R×10kΩ挡不能向LED提供较大的正向电流。

但是，若用两块指针式万用表（最好同型号），可以较好地检测发可见光的LED的发光情况。具体方法是：用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接被测LED的正极（P区），余下的“+”笔接被测LED的负极（N区）。两块万用表均置R×10 Ω挡。这样，电池总电压为3V，总内阻为50 Ω，可提供给LED的工作电流达10mA。因此，在正常情况下，接通后就能正常发光。若这时亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均置R×1 Ω挡（工作电流大于10mA）。如仍很暗，甚至不发光，则说明该LED性能不良或损坏。需要注意的是，不能一开始测量就将两块万用表均置R×1 Ω挡，以免电流过大损坏发光二极管。

（2）用外接电源检测发可见光的LED的光电特性

用一台3V 稳压电源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数字式均可），可以较准确地测量发光二极管的光电特性。为此，串接一个75 Ω 的限流电阻即可进行测试。如果测得VF在1.4～3V之间，且发光亮度正常，说明LED正常。如果测得VF=0或VF近似等于3V，且不发光，说明 LED 已坏。如果被检测的是采用碳化硅和蓝宝石材料的黄色、蓝色 LED，因其正向压降VF=6V，则需另外用6V电源或干电池和限流电阻进行测试。

2. 红外LED的检测

由于发射红外光，人眼看不到，因此利用上述可见光LED的检测方法仅能判定其PN结的正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情况是否正常。一般，红外LED的正向压降为1.3～2.5V，且单个红外LED的发射功率只有数mW，而不同型号的红外LED的发光强度角分布也不同。为了判定其发光情况，除利用3V电源串接限流电阻与红外LED外，必须准备一只2CR型或2DR型硅光电池作为接收器。这样，只需用万用表（置1V挡）检测光电池两端电压的变化情况，即可判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光。

1.2.3 LED的驱动

发光二极管的驱动方式有直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动和扫描驱动等。由于直流驱动与恒流驱动是熟悉的简单的驱动，因而这里仅介绍脉冲驱动和扫描驱动。

1. 脉冲驱动

由于发光二极管一般工作电流低于25mA 时，其发光亮度与正向电流的关系基本为线性；当电流超过25mA时，由于PN结发热而使曲线弯曲。采用脉冲工作方式，可减小PN结发热的影响，使线性范围得以扩大，因此通常采用脉冲驱动的工作方式，如图1-1所示。

采用脉冲驱动方式时，应该注意脉冲电流幅值和频率的选择。脉冲驱动电流的平均值Ia是瞬时电流i的时间积分，对于矩形波来说，有

式中，ton/T是占空比。为了使脉冲驱动方式下的平均电流Ia与直流驱动电流Io相同，就需要使它的脉冲幅值满足

由此可见，在脉冲驱动时，脉冲电流的幅值应该比直流驱动电流大T/ton倍。

其次是脉冲频率的问题，对于目视视频来说，驱动脉冲频率至少应高于20Hz，否则会产生闪烁现象。

2. 扫描驱动

扫描驱动是通过数字逻辑电路，使若干 LED 器件轮流导通，从而节省控制驱动电路。LED显示屏是将发光灯按行按列布置的，驱动时也就按行按列驱动。在扫描驱动方式下可以按行扫描，按列控制；也可以按列扫描，按行控制。

一个m行n列结构的LED显示屏的行扫描列控制的原理及波形如图1-2所示。由图可见，当采用行扫描列控制的驱动方式时，从H1到Hm轮流将高电位接通各行线，使连接到各行的LED器件接通正电源，但具体哪一个LED导通，还要看它的负电源是否接通，这就是列控制所要完成的工作。例如在LED显示屏上需要LED11熄灭，LED21点亮，因而当扫描到H1行时，L1列的电位就应该为高；当扫描到H2行时，L1列的电位就应该为低。

1.2.4 LED的应用

由于 LED 的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明等情况不同，使用时，首先应根据实际需要进行恰当选择；其次要注意LED的极限参数的限制，即允许功耗PM、最大正向直流电流IFm、最大反向电压VRm、工作环境温度范围等。因此使用时应保证不超过此限制值。为了安全起见，实际工作电流IF应选在0.6IFm以下，应让可能出现的反向电压VR＜0.6VRm。

目前，发光二极管主要用于以下几方面。

1.数字、文字及图像显示

（1）七段式数码管显示器

七段式数码管是把管芯切成细条拼成如图1-3所示的形状。工作时分别接通某些细条使其发光，使得到0～9这十个可变换的数字。其连接方式简单，有两种：即分别连接到7个三极管的集电极的共阳极形式和连接到发射极的共阴极形式。这种七段式数码管，已在数字手表、数字钟和数字化仪器的数字显示上得到了广泛的应用。

（2）米字管、符号管显示器

米字管和符号管的结构原理相似，其驱动方式也基本相同。图1-4是14画的米字字码管，它可显示10个数字和26个英文字母，并可根据同样的设计增添其他的符号，而符号管则主要用来显示“+”、“-”或“±”等。

（3）LED点阵式显示器

LED点阵式显示器与由单个LED连成的显示器相比，具有焊点少、连线少、所有亮点在同平面、亮度均匀、外形美观等优点，因而得到了广泛的应用。通常，把发光二极管按矩阵排列，最常用的点阵式显示器为5×7矩阵，如图1-5所示，它除了能完成数码管所能显示的字符外，还能显示文字和一些其他符号。

考虑到要显示小数点时，这种显示器便需要5×7+1=36个发光单元，13根引出线。它的显示原理如图1-6和图1-7所示。图1-6是从横向（行）输入信号，用纵向（列）转换开关来进行显示的。图1-7是从纵向输入信号，用横向转换开关来进行显示的。该显示器用扫描驱动方式，选择较大峰值电流和窄脉冲作为驱动源，每个LED的平均电流不应超过20mA。根据显示文字的各点坐标，在扫描过程中利用脉冲来控制开关的启闭，使组成文字的各点顺序发光。虽然发光是闪烁的，但由于人眼的余像效应，看起来仍是一个静止的文字。

如果将多块这种LED点阵管组合，则可构成大屏幕显示屏。1978年，日本三洋电机公司利用发光二极管底板代替显像管，研制出了超薄型电视机，它是在5×7.5cm2的陶瓷线路上，把6124个发光二极管配制成格子状，这些发光二极管可按照图像信号的幅度显示任意图像。目前，LED作为显示元件已发展到彩色和大面积的汉字、图表、图像等的显示，并被广泛用于机场、车站、码头，以及许多公共场所的指示、说明、广告等场合。

2.其他应用

（1）指示、照明

单个发光二极管还可用做仪器仪表指示灯、示波器标尺、收音机刻度及钟表中的文字照明等。此外，它还大量用于手机中等作为按键背光、面板背光源，特别是LED彩屏背光源，以及数码相机用的LED闪光灯照明等。目前，已有双色、多色甚至变色的单个发光二极管。例如，英国将红、橙、绿三种颜色的管芯组装在一个管壳里显示多种颜色的单个发光管等。

（2）光源

红外发光二极管多用于光纤通信与光纤传感器中，LED作为信号光源多用在光电尺寸测量等光电检测中。目前，已开发出白光LED作为环保照明光源。

（3）光电开关、报警、遥控、耦合

LED的应用很广，可用来制作光电开关、光电报警、光电遥控器及光电耦合器件等。